Thiết kế bộ điều khiển cho bộ nghịch lưu ba pha trên hệ tọa độ tĩnh

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 1 / 46

Điều khiển dòng điện hệ nghịch lưu ba pha

Bài thuyết trình môn học

Nguyễn Văn Tiềm

Đại học Bách Khoa Hà NộiViện Điện

BM Tự Động Hóa XNCNHọc phần Điều Khiển Điện Tử Công Suất

Hà Nội, Ngày 13 tháng 05 năm 2014

Thiết kế bộ điều khiển dòng điện cho hệ

nghịch lưu độc lập nguồn áp ba pha

Nguyễn Văn Tiềm (20102302 - ĐKTĐH6)

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 2 / 46



❶ Nhắc lại kiến thức• Hệ tọa độ tĩnh αβ• Hệ tọa độ quay dp• Điều chế SVM

❷ Thiết kế bộ điều khiển trên hệ tọa độ tĩnh αβ • Tổng hợp mạch vòng dòng điện• Tính toán tham số bộ điều khiển• Kết quả mô phỏng

❸ Thiết kế bộ điều khiển trên hệ tọa độ quay dq• Tổng hợp mạch vòng dòng điện• Tính toán tham số bộ điều khiển• Kết quả mô phỏng

Nội dung

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 3 / 46



Nhắc lại kiến thức Hệ tọa độ tĩnh αβ

Phép biến đổi Clarke

Hình 1.1: Biên độ và góc pha của Uα và Uβ

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 4 / 46




Giản đồ không gian cho phép biến đổi Clarke

Hình 1.2: (a) không gian 3 chiều, (b) không gian 2 chiều

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 5 / 46




Vector không gian

• Gọi một vector điện áp:

→𝒖=23 (𝑢𝑎− 1

2𝑢𝑏−

12𝑢𝑐)+ 2

3𝑗 (√3

2𝑢𝑏−

√32𝑢𝑐)

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 6 / 46




Vector không gian

𝒖=𝑈𝑚 [cos (𝜔𝑡 )+ 𝑗 sin (𝜔𝑡 ) ]• Có độ lớn bằng Quay quanh gốc tọa độ với vận tốc góc

Đặt:λ=−12+ 𝑗 √3

2→λ2=− 1

2− 𝑗 √3

2

𝒖=23

(𝑢𝑎+𝜆𝑢𝑏+𝜆2𝑢𝑐 )→

𝒖=23 [𝑢𝑎+(− 1

2+ 𝑗 √3

2 )𝑢𝑏+(− 12− 𝑗 √3

2 )𝑢𝑐 ]• Cách viết khác:

𝒖=𝑢𝛼+ 𝑗𝑢𝛽

⟹𝒖 l à m ộ t v é c t ơ kh ô ng gian

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 7 / 46




Vector không gian điện áp stator trong hệ trục αβ

Hình 1.3: Điện áp stator trong hệ trục αβ

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 8 / 46



Nhắc lại kiến thức Hệ tọa độ quay dq

Phép biến đổi Park

Trong đó , thay vì sử dụng ma trận hàm sin, ta cũng có thể biểu diễn phép biến đổi Park đơn giản như sau:

{𝑥𝑑=cos𝜃 ∙𝑈𝑚c𝑜𝑠 𝜃+sin 𝜃 ∙𝑈𝑚 sin 𝜃=𝑈𝑚𝑥𝑞=−sin 𝜃 ∙𝑈𝑚c 𝑜𝑠𝜃− cos𝜃 ∙𝑈𝑚 si𝑛𝜃=0

Hình 1.4: Dạng điện áp Ud và Uq

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 9 / 46



Nhắc lại kiến thức Hệ tọa độ quay dq

Giản đồ không gian cho phép biến đổi Park

Hình 1.5: Giản đồ không gian cho phép biến đổi Park

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 10 / 46



Nhắc lại kiến thức Điều chế SVM

Điện áp ra của bộ nghịch lưu ba pha

• Vector điện áp dây

• Vector điện áp pha

→ Có 8 khả năng kết hợp on-off cho ba transistor ở nhóm trên (S1, S3, S5)

Hình 1.6: Bộ nghịch lưu ba phaCác van nhóm trên: S1, S3, S5

Các van nhóm dưới: S4, S6, S2

Các vector chuyển mạch: a,b,c

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 11 / 46




8 khả năng kết hợp – 8 vector điện áp

Vector

điện áp

Vector chuyển mạch Điện áp pha Điện áp dây

a b c Van Vbn Vcn Vab Vbc Vca

V0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

V1 1 0 0 2/3 -1/3 -1/3 1 0 -1

V2 1 1 0 1/3 1/3 -2/3 0 1 -1

V3 0 1 0 -1/3 2/3 -1/3 -1 1 0

V4 0 1 1 -2/3 1/3 1/3 -1 0 1

V5 0 0 1 -1/3 -1/3 2/3 0 -1 1

V6 1 0 1 1/3 -2/3 1/3 1 -1 0

V7 1 1 1 0 0 0 0 0 0

Bảng 1.1: Tám khả năng kết hợp, các điện áp pha và điện áp dây

(điện áp ra nhân với Vdc)

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 12 / 46




Nguyên lý của phương pháp điều chế SVM

• Chuyển đổi từ hệ trục abc sang hệ trục tọa độ αβ, xem điện áp hình sin như một vectơ có biên độ không đổi và quay với tốc độ (tần số) không đổi

• Kỹ thuật PWM thực hiện xấp xỉ điện áp đặt Vref bằng sự kết hợp của 8 vector chuyển mạch (từ V0 đến V7), trong đó gồm 2 vector tích cực và 2 vector zero

• Các vector V1 đến V6 chia mặt phẳng thành 6 phần – sector (mỗi sector – 60ᵒ)

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 13 / 46




Các vector chuyển mạch cơ sở và các sector

Hình 1.7: Các vector chuyển mạch và các sector

• 6 vectơ tích cực (V1,V2, V3, V4, V5, V6) Các trục của hình

lục giác Đưa Vdc đến tải Mỗi sector (1→ 6):

60ᵒ• 2 vectơ không (V0,V7) Ở gốc hệ trục tọa độ Không có điện áp được

đưa tới tải

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 14 / 46




Các bước thực hiện phương pháp SVM

• Bước 1: Xác định Vα, Vβ, Vref, và góc θ

• Bước 2: Xác định các khoảng thời gian T1, T2, T0

• Bước 3: Xác định thời gian chuyển mạch d1, d3, d5 của nhóm van tích cực

• Bước 4: Thực hiện PWM tạo tín hiệu điều khiển

Hình 1.8: Các bước thực hiện SVM

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 15 / 46




Bước 1: Xác định Vα, Vβ, Vref, và góc θ

• Biến đổi Clarke:

• Tính:

• Tính:

Hình 1.9: Vα, Vβ, Vref, và góc θ

Vα Vβ

Vref

θα

β

θ

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 16 / 46




Bước 2: Xác định các khoảng thời gian T1, T2, T3

Hình 1.10: Vector đặt bằng tổng 2 vector liền

kề trong sector

20

6)1 :(sector 61nđó, Trong

,

3

1sin

3

3sin

3

3

1

3sin

3

210

2

1

TTTT

n

V

VTT

n

V

VT

n

V

VTT

s

dc

refs

dc

refs

dc

refs

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 17 / 46




Bước 2: Xác định các khoảng thời gian T1, T2, T3

Hình 1.11: Mô tả các khoảng thời gian T1, T2, T3

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 18 / 46




Bước 3: Xác định thời gian chuyển mạch d1, d3, d5

Sector 1 Sector 2 Sector 3

Sector 4 Sector 5 Sector 6Hình 1.12: Mẫu xung chuyển mạch ở mỗi sector

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 19 / 46





Bảng 1.2: Thời gian chuyển mạch ở mỗi sector

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 20 / 46





Hình 1.12: Mẫu xung chuyển mạch ở nhóm van tính cực

theo phương pháp SVM

d1 d3 d5

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 21 / 46




Bước 4: Thực hiện PWM tạo tín hiệu điều khiển

Hình 1.13: (a) PWM trong MATLAB, (b) tạo tín hiệu điều khiển g1

(a) (b)

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 22 / 46




Mô hình điều khiển truyền thẳng trong Matlab

Hình 1.14: Điều khiển truyền thẳng trong Matlab

Hình 1.15: Khối VSI trong MatlabHình 1.16: Dòng điện và điện áp ra

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 23 / 46



Thiết kế bộ điều khiển trên hệ tọa độ tĩnh αβ

Tổng hợp mạch vòng dòng điện

Sơ đồ cấu trúc điều khiển tổng quan

Hình 2.1: Cấu trúc điều khiển dòng điện trên hệ tọa độ αβ

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 24 / 46





Mô hình bộ nghịch lưu ba pha

Hình 2.1: Sơ đồ VSI ba pha với tải RLTừ hình 2.1 ta có:

(2.1)

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 25 / 46





Mô hình bộ nghịch lưu ba pha

Theo phép biến đổi trục:

Thay (2.1) vào (2.2) ta được:

(2.2)

𝑑𝑑𝑡 [ 𝐼𝛼𝐼 𝛽 ]=− 𝑅𝐿 [1 0

0 1 ][ 𝐼𝛼𝐼 𝛽 ]+ 1𝐿 [1 0

0 1] [𝑉𝛼𝑉 𝛽 ]Chuyển qua miền Laplace:𝑠 𝐼=−

𝑅𝐿𝐼+

1𝐿𝑉

𝐺 (𝑠)=𝑖𝑠(𝑠)𝑢𝑠∗(𝑠)

Mô hình: 𝐺 (𝑠)= 1𝑅+𝐿𝑠

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 26 / 46





Mô hình bộ điều khiển

• Bộ điều khiển cộng hưởng PR

– Thành phần I quay:

𝐺𝑐 (𝑠 )=𝐾 𝑃+𝐾 𝐼 𝑠

𝑠2+𝜔02

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 27 / 46





Cấu trúc điều khiển dạng mô hình toán học

Hình 2.2: Tổng hợp mạch vòng dòng điện cho một nhánh

• Hàm truyền vòng hở:

𝐺h (𝑠 )=(𝐾 𝑝+ 𝐾 𝑖 𝑠𝑠2+𝜔02 ) 1𝑅+𝑠𝐿

=𝐾 𝑝𝑠

2+𝐾 𝑖𝑠+𝐾 𝑝𝜔02

𝐿𝑠3+𝑅𝑠2+𝐿𝜔02 𝑠+𝑅𝜔0

2

• Hàm truyền vòng kín:

𝐺𝑃𝑅 (𝑠 )=𝐾 𝑝𝑠

2+𝐾 𝑖𝑠+𝐾 𝑝𝜔02

𝐿𝑠3+¿¿

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 28 / 46




Tính toán tham số bộ điều khiển

Thiết kế bộ điều khiển RP trên miền tần số

• Chuyển hàm truyền kín mạch vòng dòng điện qua miền tần số ta được:

+

+

Chọn băng thông từ ta chọn

• Cho , viết lại phương trình (2.3)

(2.3)

(2.4)

được chọn để có hệ số suy giảm biên độ là

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 29 / 46





Thiết kế bộ điều khiển trên miền tần số

¿5+√ (2 ∙10−3 ∙3141 )2+2 ∙52

𝐾 𝑝=14.46

• Thành phần Ki được đưa thêm vào sẽ làm thay đổi băng thông như mong muốn, hiểu chỉnh Ki để băng thông . Qua các lần thử nghiệm cho thấy cần chọn

→

• Vậy bộ điều khiển cộng hưởng PR

𝐺𝑐 (𝑠)=14.46+15000 𝑠𝑠2+3142

𝐾 𝑖=15000

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 30 / 46





Kiểm tra băng thông của hệ kín với Ki = 1000

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 31 / 46





Kiểm tra băng thông của hệ kín với Ki = 15000

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 32 / 46




Kết quả mô phỏng

Mô hình mô phỏng trên Matlab

Hình 2.3: Điều khiển dòng điện cho bộ nghịch lưu nguồn áp ba phatrên hệ tọa độ tĩnh αβ

sử dụng bộ điều khiển cộng hưởng PR

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 33 / 46






Hình 2.4: Đáp ứng dòng Iα và Iβ

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 34 / 46






Hình 2.5: Đáp ứng dòng - áp tải và tín hiệu điều chế

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 35 / 46



Thiết kế bộ điều khiển trên hệ tọa độ dq Tổng hợp mạch vòng dòng điện

Sơ đồ cấu trúc điều khiển tổng quan

Hình 3.1: Cấu trúc điều khiển dòng điện trên hệ tọa độ dq

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 36 / 46




Mô hình toán học bộ nghịch lưu trong tọa độ dq

Hình 3.2: Sơ đồ tương đương của bộ nghịch lưu

(3.1)

(3.2)

(3.3)

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 37 / 46




Các phương trình dòng điện và điện áp

• Phép chuyển tọa độ Park:

(3.4)

• Dòng điện trong trục dq:

(3.5)

• Tương tự với điện áp:

(3.6)

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 38 / 46




Coupling

• Đạo hàm phương trình dòng điện id (3.6)

(3.7)

• Từ (3.2) ta có:

(3.8)

• Từ (3.5), (3.6), (3.8), ta viết lại (3.7):

• Tương tự ta cũng có với dòng q:

(3.9)

(3.10)

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 39 / 46




Coupling

• Chuyển (3.9) và (3.10) qua miền Laplace:

Trong đó:

• Hàm truyền bộ nghịch lưu trong tọa độ dq

𝑠𝐿+𝑅

𝑠𝐿+𝑅

𝜔 𝐿

𝜔 𝐿

𝐼𝑑

𝐼𝑞

∆𝑈 𝑑

∆𝑈𝑞

-

+

+ +

Hình 3.3: Coupling giữa dq

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 40 / 46




De-coupling loại 1

Hình 3.4: Nguyên lý decoupling loại 1

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 41 / 46




De-coupling loại 2

Hình 3.5: Nguyên lý decoupling loại 2

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 42 / 46




Sơ đồ cấu trúc điều khiển với de-coupling loại 2

Hình 3.6: Cấu trúc điều khiển dòng điện với de-coupling loại 2

Lượng đặt id, iq một chiều:

Đối tượng điều khiển đơn giản

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 43 / 46



Thiết kế bộ điều khiển trên hệ tọa độ dq Tính toán tham số bộ điều khiển

Thiết kế bộ điều khiển PI theo chuẩn tối ưu Modul

𝐺𝑖 (𝑠 )=𝑖𝑠(𝑠)

𝑢𝑠∗ (𝑠)

=𝐺𝑆𝑉𝑀 (𝑠 ) ∙𝐺 (𝑠)= 1

1+𝑠𝑇 𝑠2

∙

1𝑅

1+𝑠 𝐿𝑅

• Đối tượng điều khiển:

Định lý 2.39:Nếu đối tượng là khâu quán tính bậc hai , thì bộ điều khiển với các tham số sẽ là bộ điều khiển tối ưu độ lớn

• Bộ điều khiển:

𝐾 𝑝=𝐿𝑇 𝑠

= 𝑓 𝑠𝐿=5 .1032 .10− 3=10

𝐾 𝑖=𝑅𝑇 𝑠

= 𝑓 𝑠𝑅=5 .103 5=25000

𝐺𝑐 (𝑠 )=10+25000𝑠

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 44 / 46



Thiết kế bộ điều khiển trên hệ tọa độ dq Kết quả mô phỏng

Mô hình mô phỏng trên Matlab

Hình 3.7: Điều khiển dòng điện cho bộ nghịch lưu nguồn áp ba phatrên hệ tọa độ tĩnh dq sử dụng bộ điều khiển PI

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 45 / 46





Hình 3.7: Đáp ứng dòng Id (25A-15A) và Iq (10A-30A)

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 46 / 46





Hình 3.8: Đáp ứng dòng - áp tải và tín hiệu điều chế

Engineering

Thiết kế bộ điều khiển cho bộ nghịch lưu ba pha trên hệ tọa độ tĩnh